成理工采油工程实验指导

《采油工程》实验指导实验一两相垂直管流实验气举井及绝大多数自喷井的油管中流动的都是油—气或油—气—水三相混合物。对采油来说，油、气、水混合物在油管中的流动规律——多相垂直管流理论是研究自喷井、气举井生产规律的基本理论。在许多情况下，油井生产系统的总压降大部分是用来克服混合物在油管中流动时的重力和摩擦损失。它不仅关系到油井能否自喷，而且决定着用自喷和气举方法可能获得的最大产量。为了掌握油井生产规律及合理地控制和调节油井工作方式，必须熟悉气—液混合物在油管中的流动规律。在油气田开发过程中，为了充分利用天然资源和取得好的经济效果，或者要进行油气田动态分析，拟订油气田的增产及提高油气田采收率，高速度、高水平地开发油气就必须深入细致地研究地层—油管—油嘴生产衔接与协调，研究多相流在井筒中的流态变化。使生产井的工作制度同地层变化了的情况协调起来，只有通过各个生产井的各种变化并把它们综合起来进行分析，才能为整个油气田动态分析提供准确的资料和依据，并对各个注采井提出有效的工艺措施，不断完善开发方案，改善油气田开发效果。该实验就是研究气、液两相在垂直井筒中的流态变化及观察模拟井筒气体膨胀能参与举升液体的现象，抓住观察到的现象综合分析，并对所作的气量与液量的关系曲线作出解释。一、实验原理在多相垂直管流中，沿井筒自下而上随着压力不断降低，气体则不断从液体中分离出来，以及压力降低气相体积流量逐渐变大。随着液气流沿井筒上升，压力逐渐降低气体随之膨胀，不断释放出气体弹性膨胀能量，该能量要参与举升液体，膨胀能的大小与气量多少、压力变化范围有关。该实验是研究液气两相在模拟垂直井筒中的流动变化。也是利用气体膨胀能量来举升液体的实验，它依靠两种作用：一种是气体作用于液体上，垂直地顶推液体上升；另一种是靠气体与液体之间的摩擦作用，气体携带液体上升。其能量来源除压能外，气体膨胀能是个很重要的方面。因在管径不变的油管中，举升一定的油量，则单位管长上所消耗的总压头，是随着气量的不同而变化的，而只有在某一气量下，举升一定气量的液体所必须消耗的压头最小。该实验是以Φ32的有机玻璃管来模拟实际油管，并采用恒位水箱保持井筒静水压头不变，也就是在一定直径的垂直管中保持静水压头不变，利用气体的膨胀能来举升液体。由于压头不变，所以管鞋压力P1=C（常数），其气举垂直管的管口压力P2=1at。因此，气举管压差为P1-P2=C，既保持位常数。换言之，气举管所具有的举液能量是一个常数。因此，v/q不同，混合物的流态是变化的。这里所讲的流态，即气液两相在垂直管中的流动结构或者说是流动形态，是指气液两相流动过程中其分布状态。在液体延井筒流动的过程中，压力随之逐渐降低，气体从液体中分离出来的数量愈来愈多，其体积愈来愈大，随着气体和流速的增加，垂直井筒中可能出现多种流态。最常见的一种流态划分有：纯液流、泡流、段塞流、环流（又称过渡流）、雾流。（见图1—1所示）1、纯液流当井口压力Pwh大于饱和压力Pb时，液体沿井筒上升到井口是靠井底压力（即静水压头）的作用，此时只有纯液体在管内流动。见图1—1（a）。但事实上，一般油井井口压力Pwh都是小于饱和压力Pb的。2、泡流一般情况下，当井底压力Pwf稍低于饱和压力Pb，或者当井底压力Pwf高于饱和压力Pb，而在井筒内压力低于饱和压力的断面上，连续的液体相中包含分散的气泡（即自由气），但由于气量并不多，而且又是处于高压下，所以多半是以气泡状存在液相中，由于气体比液体轻得多，气泡所占垂直管断面的比值也很小，流速也不大，所以气泡很容易从液体中滑脱而过。因此，滑脱损失比较大，因流速不大，故摩擦阻力小。见图1—1（b）。3、段塞流混合物继续上升，压力逐渐下降，气体进一步膨胀小气泡合并成大气泡直到能占据整个垂直管断面时，垂直管中将形成一段液体一段气的段柱状结构，这时气体托着液体上升，气体的膨胀作用能得到很好的发挥，对液相有很大的举升力。这种流态是自喷井中的主要流动结构。但是这种气柱只能象一个漏活塞一样，一边采油，一边油还要漏下来，不可能将其上面的液体全部举出去，这也是滑脱损失，但比泡流小得多。摩擦损失因流速增大面增加，见图1—1（c）。4、环流(又称过渡流)混合物沿井筒继续上升，随着压力的降低，气量再度增加并不断膨胀，气体的柱塞不断加长，逐渐从井筒中央突破，形成中心为连续气流，而四周管壁为环状液流。此时，气流上升的速度增大，气体靠它与液体之间的摩擦携带着液体上升。在该流态时，气体携带液体的能力仍很高，滑脱损失降低，摩擦损失因流速上升而增大。见图1—1（d）。5、雾状流当压力再度下降，气量继续增加。中心气柱将完全占据井筒断面，此时液流以极细的液滴分散于气柱中，即气相为连续相，而液相为分散相，气体的膨胀能表现为以很高的流速将液体携带到地面。见图1—1（e）。这种流态时，摩擦损失很大，滑脱损失因二者相对速度不大而较小。应当指出的是，上述五种流态，不一定在每口自喷井都会同时出现，而且在一口井中，井筒压力变化、油井工作制度改变都会使其流态发生变化。二、实验内容1、观察垂直管内气、液两相流态。2、测定在不同气量下的产液量和观察每一试验点的流态。3、按流态界限数判别流态，并与实际观察到的流态比较。4、在进行定量实验研究时，绘制液体体积流量与气体体积流量的关系曲线(Q—V曲线)，并确定始喷点、停喷点，最高效率点和最大产量点。三、实验装置及流程实验装置如图1—2所示，即气液两相垂直管流态演示仪。水箱供水至井筒某一恒定位置，打开气源开关，通过转子流量计与压力表计量。开启供气电磁阀给井筒供气，利用气体弹性膨胀能将掖体举升出井口，再通过测液箱计量液体体积并从计时器上计录下定体积的时间。通过数据处理，即可得到一定气量下的产出液量。四、实验操作步骤1、开启空气压缩机以产生工作气源，调节压力设定选钮，使气源压力为一定值(MPa)；2、打开仪器面板上的电源开关，打开水箱供水开关和供液开关，此时将向恒位水箱和模拟井筒供水。恒位水箱供水由装置自动控制，打开水箱供水开关后便可将水位维持在恒定位置。3、将流量调节旋钮逆时针旋转到初始位置，然后顺时针旋转1~2圈，待水位上升到标定高度后打开供气开关，此时可通过调节流量调节旋钮控制气体流量（逆时针为减小，顺时针为增大）来观察模拟井筒内的流态变化。4、当对产液进行定量分析时，打开测量开关，此时计时器开始计时，测液水箱进水，记录流量计读数。待计时器时间停止计时后，关闭测量开关，记录计时器读数。5、调节气量，待气液相相对稳定后重复步骤4。结束实验时，首先关闭空气压缩机，水箱供水开关和供液开关，打开放空开关。待气液放完后，关闭供气开关，关闭电源，结束实验。五、注意事项：1、严格遵守实验室规则，未经教师允许不得随便开启各开关、仪器按钮，不得任意旋转仪器上的旋钮。2、实验前一定要弄清楚实验流程及其仪器、仪表、设备的功用；检查仪器设备的开关、旋钮的位置是否符合要求。严格按照实验操作部骤进行实验。3、试验过程中，调节气量一定要有小到大逐渐慢开启控制阀，不得突然增大，以防损坏流量计和造成事故。4、计时器停止计数后，必须立即关闭供气电磁阀，打开测液箱排液电磁阀，以防测液箱液体溢出。5、电磁阀电路皆为220V交流电，控制台后禁止站立和来往。6、稳压电源电压只能最大选用12V档，不得超过该值，以免烧坏仪器和造成其他事故。7、实验中，如发生什么故障，应立即关掉电源和供气阀等，在指导教师的指导下排除故障。两相垂直管流实验报告1、态判别数据表实验目观流态实验数据计算数据判别流态QwQgQTVgD(L)B(L)S(L)m

2、Q—V曲线数据表测次原始数据计算数据备注时间T标准注气流量V′压力读数出水体积W标准状态下的气量V水流量Q

(S)(m3/h)(KPa)(升)(m3/s)(m3/s)

3、流态定量判别数据处理公式流态型态界限泡流段塞流过渡流雾流备注附注公式：泡流界限：段塞流界限：雾流界限：上式中：——水的体积流量，m3/s——总的流速，m3/s——管子截面面积，m2——水的表面张力（取0.0074kg/m）——重力加速度，（取9.81m/s2）——水的重度，(取1000kg/m3)——管子直径，（取0.032m）

实验二抽油机模型实验在油田开发过程中，有些油田由于地层能量逐渐下降，到一定时期地层能量就不能使油井维持自喷，有些油田则因为原始地层能量低或油稠一开始就不能自喷。油并不能保持自喷时，或虽能自喷但产量过低时，就必须借助机械的能量进行采油。虽然随着采油工艺技术的发展，适合于深井、大产量和较复杂条件的水力活塞泵及电动潜油泵的比例逐渐增加，但目前在机械采油中占绝对多数的还是游梁式深井泵装置。抽油机是有杆深井泵采油的主要地面设备。游梁式抽油机按结构可分为：普通式和前置式。两者的主要组成部分相同，只是游梁和连杆的连接位置不同。普通式多采用机械平衡，前置式多采用气动平衡，且多为重型长冲程抽油机。每类抽油机中可以有不同的型号，但基本结构大同小异。图(2—1)所示为游梁式抽油装置工作示意图。用油管6把深井泵的泵筒2下到井内液面以下，在泵筒下部装有只能向上打开的吸入凡尔(固定凡尔)1。用直径16～25厘米的抽油杆柱5把活塞3从油管内下入泵筒。活塞上装有只能向上打开的排出凡尔(游动凡尔)4。最上面与抽油杆相联接的称光杆，它穿过三通8和盘根盒9悬挂在驴头10上。借助于抽油机的曲柄连杆机构13和12的作用，把动力机14(电动机或内燃机)的旋转运动变为往复运动，用抽油杆柱来带动深井泵的活塞进行抽油。一、实验目的游梁式抽油机主要由游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置等四大部分组成。工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄作低速旋转。曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动。挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动。1、清抽油机游梁—连杆—曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置等的结构及工作原理；2、掌握抽油设备的主要部件的结构及作用和工作原理；3、掌握抽油机型式及基本参数。二、实验原理电动机的高速旋转运动通过皮带轮和减速箱减速、传递给曲柄轴，带动曲柄做低速旋转、通过曲柄、连杆经横梁带动游梁做上下摆动，挂在游梁驴头上的悬绳器带动抽油杆做上下往复运动。按原第一机械工业部制定的标准，游梁式抽油机的型式和基本参数如表2—1所列。表2—1.游梁式抽油机的型式和基本参数基本参数悬点最大载荷(104牛)光杆最大冲程长度(米)减速箱曲柄轴最大允许扭矩(牛.米)每分钟最大冲数(次/分)基本型CYJ2-0.6-2.5YCYJ3-1.2-7FCYJ5-1.8-18FCYJ7-2.1-26FCYJ10-2.7-48B(Q)CYJ12-3.3-70B(Q)CYJ16-4-100B(Q)23571012160.61.21.82.12.73.3425070018002600480070001000015151212121212变型CYJ5-2.7-26FCYJ8-3-48B(Q)582.732600480012型号说明：三、实验内容1、了解抽油机的结构和工作原理；2、支架—游梁—连杆—曲柄组成四连杆机构及工作原理；3、抽油机主要部件有：减速箱及皮带轮、电动机、驴头及悬绳器、平衡装置及抽油机底座台架等，各部件的结构及工作原理。四、实验装置及流程图2—2是普通式抽油机，主要部件有：1刹车装置，2动力机，3减速箱皮带轮，4减速箱，5输入轴，6平衡重，7支架，8曲柄，9连杆，10游梁，11驴头，12悬绳器，13底座。图2—3是前置式抽油机，主要部件有：1驴头，2游梁，3支架，4连杆，5曲柄，6曲柄平衡重气，7减速箱，8底座，9动力机，10支座，11平衡空气包。五、注意事项1、启动抽油机前，必须确定无人触及抽油机转动部件和无任何卡阻时方可启动。2、在抽油机运转时，严禁扳动刹车和用手触摸转动部件，以防造成事故。3、严禁在抽油机台架上做记录，以防危险。抽油机模型实验报告在对抽油机的型式和基本参数做深入了解的基础上，做出：1、游梁式抽油机的结构示意图2、写出下面型式的抽油机所代表的含义CYJ5-1.8-18F

实验三深井泵结构实验机械采油中占绝大多数的是游梁式抽油机－深井泵装置，世界各国的油井有８０％～９０％是用深井泵开采的，深井泵分为无杆泵和有杆泵两大类。有杆泵又分为杆式泵和管式泵两种，无杆泵有水力活塞泵、电动潜油泵、涡轮泵、射流泵等。按是否用抽油杆来传递动力，将深井泵采油分为两大类：1、有杆泵采油是由以“三抽”设备（抽油机、抽油杆和抽油泵）为主的有杆抽油系统来实现的。用地面动力通过减速机构使抽油机驴头上下往复运动，并借助抽油杆带动深井泵活塞上下运动，将井内液体抽出地面。最具代表的是游梁式抽油机－深井泵装置。2、无杆泵采油不借助于抽油杆来传递动力的抽油设备所进行的采油统称无杆泵采油。如水力活塞泵、电动潜油泵、射流泵和振动泵等等。随着采油工艺技术的发展，适合于深井大产量和较复杂条件的水力活塞泵及电动潜油泵的使用比例逐渐增加。下表比较清楚列出深井泵采油的优缺点：优点：①设备结构简单，工作可靠，操作、管理方便；②采油工作制度稳定；③适应面广，产量从１t/d~300t/d或更多的井，井深从浅井到中浅井（深度达到３０００m的井都可运用。缺点：①地面设备体积庞大、笨重；②在深井和超深井、斜井和方向井中应用受到一定限制。一、实习目的1、弄清有杆泵（管式泵、杆式泵）及无杆泵（水力活塞泵）各部件的名称及作用。2、了解各种泵的结构特点和适用范围。3、掌握各种泵的原理。二、实习内容1、观察剖开的实验泵，了解各部件的名称及结构特点。2、折装杆式泵，弄清各部件的装配关系及作用。3、绘制管式泵、杆式泵的结构示意图。具体的：（1）有杆泵：（包括管式泵和杆式泵）上冲程，抽油杆柱带动活塞向上运动，活塞上的游动几尔受油管内液体压力作用而关闭，泵腔内压力降低，固定凡尔在环形空间液柱压力作用下被顶开，液体被吸入泵腔。下冲程，抽油杆柱带动活塞向下运动，固定凡尔关闭，泵腔内压力增高到大于活塞以上液柱压力时，游动凡尔被顶开，活塞下部的液体通过游动凡尔进入活塞内部。管式泵包括：1油管接头、2抽油杆、3开口凡尔罩、4凡尔球、5凡尔座、6活塞、7泵筒、8开口凡尔罩、9凡尔球、10凡尔座衬管、11衬套。如图3—1所示。杆式泵的结构：1油管接头、2抽油杆、3开口凡尔罩、4凡尔球、5凡尔座、6活塞、7外工作筒、8内工作筒、9衬套、10开口凡尔罩、11凡尔球、12凡尔座、13下接头。如图3—2所示。管式泵的结构简单、成本低，在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量大。由于是把外筒和衬套在地面组装好后接在油管下部先下入井内，然后抽象入固定凡尔，最后把活寒接在抽油杆柱下端下入泵筒内。所以检泵进必须起出抽油管，修井工作量大。适用于下泵深度不大，产量较高的油井。杆式泵整个泵（不包括外工作筒）在地面组装好后，接在同油杆柱的下端，整体通过油管下入井内，由预先装在油管预定深度上的卡簧固定在油管上。检泵时不需要起油管。所以，杆式泵检泵方便。但结构复杂，制造成本高，在相同油管直径下允许下入的泵径比管式泵小。故杆式泵适用于下泵深度大、产量小的油井。（2）无杆泵：随着海上石油工业的发展，定向井增多，油层深度的增加，深井泵的弱点也就暴露得更加明显，首先是它的效率低，其次是设备笨重，钢材用量大，在开采深度超过一定值时（1500米），在实际上就不能用了。由此，发展了作机械传动的抽油泵（无杆泵）。如水力活塞泵、电动潜油泵、射流泵等。深井泵结构实验报告1、杆式泵结构示意图（附各部件名称）2、管式泵结构示意图（附各部件名称）

实验四泵抽水实验一、实验目的1、弄清抽油设备的整个工作过程及深井泵工作时固定凡尔和游动凡尔的工作状况。2、测定无气体和有气体影响时的深井泵的泵效。3、通过实验分析深井泵采油中存在的问题。二、实验原理将抽油机和抽油泵的工作同时观察。1、抽油机工作原理：电动机的高速旋转运动通过皮带轮和减速箱减速、传递给曲柄轴，带动曲柄做低速旋转运动。通过曲柄、连杆经横梁带动游梁做上下摆动，挂在游梁驴头上曲悬绳器便带动抽油杆柱做上下往复运动，从而带动活塞做上下往复运动。2、抽油泵工作原理：活塞上冲程：抽油泵活塞向上运动，活塞上的游动凡尔(排出凡尔)受活塞以上油管内液柱压力作用而关闭；与此同时，泵腔内体积增加，压力下降，固定凡尔(吸入凡尔)在油管—套管环形空间液柱压力(沉没压力)的作用下被顶开，液体被吸入泵腔内。活塞下冲程：抽油泵活塞向下运动，泵腔内体积变小，泵腔内液体压力增高，固定凡尔关闭，当泵腔内液体压力大于活塞以上液柱压力时，游动凡尔被顶开，泵腔内液体通过游动凡尔转移到活塞上部。由于活塞不断地上下往复运动，游动凡尔和固定凡尔交替开关，从油层流到井底液体便不断的被吸入泵腔内，又从泵腔内转移到活塞以上油管中，是油管内的液面上升到井口，经三通流至出油管线中。3、泵的理论排量、实际排量和泵效：⑴.泵的理论排量：式中：Qt——泵的理论排量，cm3/S；fp——活塞横截面积，cm2；Sp——活塞冲程，cm；n——冲数，次/min。⑵.泵的实际排量：式中：Q——泵的实际排量，cm3/S；V——泵在一定时间内排出的液体体积，cm3；t——泵排出一定体积液体所需的时间，S。⑶.泵效：在油井生产过程中，泵的实际排量与理论排量的比值。即：泵效愈高，说明泵的工作实效愈高。所以泵效是衡量深井泵的工作好坏和油井管理水平的一个指标，为了提高抽油井的产量，提高经济效益，通过油井管理提高泵效是一项重要的方法。影响泵效的因素很多，主要影响因素有三个：抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩变形；气体和泵充满情况的影响；漏失的影响。4、泵的充满系数指活塞上行时，新吸入泵腔内的纯液体体积与活塞上行时所让出的空间体积的比值。泵的充满系数用β表示：即：式中：——活塞上行所让出的体积；——上冲程吸入泵腔内纯液体的体积。充满系数β表示了泵在工作过程中被液体充满的程度。β愈高，则泵效愈高。泵的充满系数β与泵内油气比和泵的结构有关。三、实验内容1、了解抽油机的结构和原理；2、掌握抽油泵的结构和工作原理；3、观察套管压力对油—套环形空间液面的影响情况；4、测定抽油泵的泵效；5、对比测定气体对抽油泵的泵效影响；6、计算确定泵的充满系数β、油气比R。四、装置组成抽油机、抽油杆柱、套管、油管（衬管）、活塞、游动凡尔、固定凡尔、气锚等。操作台、测液箱、光电计时器、气体调节和计量系统、抽油机的停、启操作系及指示系统、放液操作和指示以及液位显示系统。供排液系统、恒位水箱、供液自来水、排液管汇。五、注意事项1、启动抽油机前，必须确定无人触及抽油机转动部件和无任何卡阻时方可启动。2、在抽油机运转时，严禁扳动刹车和用手触摸转动部件，以防造成事故。3、严禁在抽油机台架上做记录，以防危险。抽油机抽油（或水）实验报告一、基本常数1、活塞直径2、防冲距3、余隙比4、光杆冲程5、冲数6、理论排量二、实验表格测次时间S水体积cm3水流量cm3/S气体体积cm3泵效%水气比R充满系数β装有气锚无气体影响1

2

3

平均

有气体影响1

2

3

平均

无气锚无气体影响1

2

3

平均

有气体影响1

2

3

平均

实验五裂缝导流能力实验水力压裂已是目前各油田提高油气井产量、增加可采储量、充分挖掘油气田潜力的有效措施。随着水力压裂工艺的日趋成熟，关于压裂机理的实验研究也迅速发展起来裂缝导流能力是指裂缝传导(输送)流体的能力。一般认为，裂缝导流能力与地层闭合压力、岩石硬度有关，也与选用支撑剂的性质和支撑剂在裂缝中的分布及排列层数（指单位裂缝面的支撑剂量，单位公斤／米2）有关。但鉴于地层闭合压力与岩石硬度在既定井深和地层特性条件下为定值，所以支撑剂的类型、强度、粒径、质量以及支撑剂在裂缝中的分布和排列层数即成为影响裂缝导流能力大小的主要因素。支撑裂缝导流能力的大小，一般以裂缝支撑剂层的渗透率与裂缝宽度的乘积为衡量其大小的定量指标。支撑裂缝导流能力实验，是一个关于压裂机理研究的室内实验。其装置是模拟压裂中形成的支撑裂缝在闭合压力、地层温度及液体影响下，研究其导流能力变化的规律和影响因素的主要设备。本实验对本科生是选开实验，对研究生可以为设计型实验。同时，在本科生的毕业设计中可以成为较好的设计实验项目。一、实验目的在压裂工艺设计中，对于所要求的增产比，保证必要的支撑裂缝的导流能力将是一个关键性的设计依据。本实验就是试图从机理上回答—如何才能保证支撑裂缝具有较高的导流能力这一问题。通过模拟实验研究可以找到影响导流能力的主要因素（如支撑剂强度、浓度、粒径等）和提高其导流能力的主要途径，为加砂压裂施工提供合理的工艺参数，使压裂取得好的效果。二、实验内容1、研究在一定模拟温度和闭合压力的情况下，试验各种支撑剂的抗压强度、破碎率、支撑剂嵌入裂缝的深度2、研究在一定模拟温度和闭合压力的情况下，模拟裂缝支撑剂铺置不同时，短期或长期导流能力变化规律。3、分析研究支撑剂类型、粒径、铺置浓度、地层温度、闭合压力、岩石硬度等因素对支撑裂缝导流能力的影响。4、测定压裂液对支撑裂缝导流能力的影响。三、实验原理一般认为，水力压裂施工所获得的增产效果取决于支撑剂的有效性。当张开裂缝在闭合压力下重新闭合时，而支撑剂使用权裂缝面保持张开。充满支撑剂的裂缝改善了井底附近的渗流状况，从而使油气井的产量增加。